MODIFIKASI TONGKOL JAGUNG SEBAGAI ADSORBEN LOGAM BERAT Pb(II)
SARI SULISTYAWATI
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
ABSTRAK SARI SULISTYAWATI. Modifikasi Tongkol Jagung Sebagai Adsorben Logam Berat Pb(II). Dibimbing oleh BETTY MARITA SOEBRATA dan MUCHAMMAD SRI SAENI. Logam berat yang dihasilkan dari beberapa proses industri banyak menimbulkan masalah lingkungan. Upaya yang dilakukan untuk mengatasi pencemaran logam berat ini di antaranya metode fisikokimia, tetapi metode ini tidak efektif pada konsentrasi logam 1100 ppm. Beberapa produk samping pertanian berpotensi sebagai adsorben, salah satunya adalah tongkol jagung. Pada penelitian ini, tongkol jagung yang digunakan sebagai adsorben Pb(II) telah dimodifikasi dengan asam nitrat 0.6M dan impregnasi NaOH 0.1N. Parameter yang diujikan adalah waktu kontak, bobot adsorben, konsentrasi awal logam, dan pH. Kondisi optimum yang diperoleh untuk adsorben tanpa modifikasi pada parameter adalah 120 menit, 0.50 g, 15 ppm, dan pH 5.00. Kondisi optimum untuk adsorben modifikasi ialah 120 menit, 0.25 g, 15 ppm, dan pH 5.50. Arang aktif yang digunakan sebagai pembanding kapasitas adsorpsi, memiliki kondisi optimum sebagai berikut 150 menit, 0.25 g, 15 ppm, dan pH 6.00. Pada pengujian larutan tunggal, kapasitas adsorpsi Pb(II) oleh adsorben tanpa modifikasi, dengan modifikasi, dan arang aktif, berturut-turut sebesar 1362.11, 2274.60, dan 2908.07 µg/g adsorben. Kapasitas adsorpsi Pb(II) oleh ketiga jenis adsorben pada limbah industri aki, berturut-turut ialah 21.73, 121.71, dan 485.11 µg/g adsorben. Tipe isoterm yang dianut oleh ketiga jenis adsorben adalah isoterm Langmuir dengan linearitas >90%.
ABSTRACT SARI SULISTYAWATI. Corncob Modification as Pb(II) Heavy Metal Adsorbent. Supervised by BETTY MARITA SOEBRATA and MUCHAMMAD SRI SAENI. Heavy metals contamination from industrial process causes environment problem. Several efforts to surmount heavy metal pollution is by physical-chemical method, but this method uneffective at concentration 1-100 ppm. Some agriculture waste biomass can be used as adsorbent, such as corncob. In this research, corncob modification with nitric acid 0.6M and impregnation with NaOH 0.1N were used to remove Pb(II). Adsorption was carried out with variations of contact time, adsorbent weight, initial concentration, and pH. The optimum contact time, adsorbent weight, initial concentration, and pH for unmodified adsorbent were 120 minutes, 0.50 g, 15 ppm, and pH 5.00, respectively. On the other hand, for base-impregnated acid modified adsorbent were 120 minutes, 0.25 g, 15 ppm, dan pH 5.50. The results were compared with metal ion adsorption by commercial activated carbon. The optimum condition for activated carbon was at 150 minutes, 0.25 g, 15 ppm, dan pH 6.00. Lead(II) adsorption capacity by unmodified adsorbent, base-impregnated acid modified adsorbent, and activated carbon in single solution were 1362.11, 2274.60, and 2908.07 µg/g adsorbent, respectively. Application of three kinds of adsorbent toward electroplating industrial waste showed an adsorption capacity of 21.73, 121.71, and 485.11 µg/g adsorbent, respectively. Isotherm type for all kinds of adsorbent followed Langmuir isotherm, with high linearity (>90%).
MODIFIKASI TONGKOL JAGUNG SEBAGAI ADSORBEN LOGAM BERAT Pb(II)
SARI SULISTYAWATI
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
Judul Nama NIM
: Modifikasi Tongkol Jagung Sebagai Adsorben Logam Berat Pb(II) : Sari Sulistyawati : G44203023
Menyetujui: Pembimbing I,
Pembimbing II,
Betty Marita Soebrata, S.Si, M.Si. NIP 131 694 523
Prof. Dr. Ir. MS Saeni, MS NIP 130 256 339
Mengetahui: Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr. drh. Hasim, DEA NIP 131 578 806
Tanggal Lulus:
PRAKATA Bismillahirrahmanirrahim… Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini. Karya ilmiah ini berjudul Modifikasi Tongkol Jagung Sebagai Adsorben Logam Berat Pb(II), yang dilaksanakan pada bulan November 2007 sampai dengan April 2008 bertempat di Laboratorium Kimia Fisik dan Lingkungan, IPB. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Betty Marita, S.Si, M.Si. dan (alm.) Bapak Prof. Dr. Ir. Muhamad Sri Saeni, MS selaku pembimbing yang telah memberikan masukan dan pengarahan kepada penulis. Ungkapan terima kasih dihaturkan kepada Ayah, Ibu, Dwi, dan Priya atas doa dan dukungannya. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada staf Departemen Kimia IPB, Ibu Ai, Bapak Nano, Bapak Mail, Bapak Eman, Bapak Didi, Bapak Syawal, dan Mas Heri atas bantuannya. Saya haturkan banyak terima kasih kepada Nova, Lia, Dany, Kak Angga, Kak Fahrizal, dan Kak Budi atas kerja samanya dan kebaikannya selama ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Nanda atas kebersamaan dan semangat selama menjalankan penelitian. Akhir kata, penulis menyampaikan semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi pembaca. Amin.
Bogor, April 2008 Sari Sulistyawati
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 3 Oktober 1985 sebagai anak pertama dari tiga bersaudara, putra dari pasangan Sumarta dan Sugimah. Tahun 2003 penulis lulus dari SMU Negeri 3 Bogor dan memperoleh kesempatan melanjutkan studi di Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam IPB melalui jalur Undangan Saringan Masuk IPB (USMI). Selama mengikuti perkuliahan penulis aktif di dalam organisasi kampus di IPB. Periode kepengurusan 2003/2004 dan 2004/2005 penulis menjadi staf di Departemen Olahraga dan Departemen Informasi Komunikasi, Ikatan Mahasiswa Kimia (Imasika) IPB. Penulis pernah menjadi asisten praktikum Kimia Dasar, Kimia Fisik Layanan, dan Kimia Lingkungan pada periode 2006/2007. Selain itu, penulis juga aktif mengikuti seminar-seminar, baik yang berbasis iptek dan wirausaha selama mengikuti perkuliahan di IPB.
DAFTAR ISI
Halaman DAFTAR TABEL .....................................................................................................
vii
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................
viii
DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................................
ix
PENDAHULUAN ....................................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA Jagung ............................................................................................................... Selulosa ............................................................................................................. Adsorpsi ............................................................................................................ Modifikasi Adsorben ....................................................................................... Isoterm Adsorpsi Freundlich .......................................................................... Isoterm Adsorpsi Langmuir ............................................................................. Timbel (Pb) ...................................................................................................... Arang Aktif ....................................................................................... ...............
1 1 2 2 2 3 3 3
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat ................................................................................................ Metode Penelitian ............................................................................................
3 4
HASIL DAN PEMBAHASAN Preparasi Tongkol Jagung ................................................................................ Penentuan Kondisi Optimum Adsorpsi ............................................................ Kondisi Optimum Adsorben Tanpa Modifikasi ............................................... Kondisi Optimum Adsorben Modifikasi .......................................................... Kondisi Optimum Arang Aktif ......................................................................... Adsorpsi Larutan Tunggal ............................................................................... Adsorpsi Limbah Industri Aki ......................................................................... Isoterm Adsorpsi ..............................................................................................
5 5 6 7 8 9 10 10
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan .......................................................................................................... Saran ................................................................................................................
12 12
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................
12
LAMPIRAN ...............................................................................................................
14
DAFTAR TABEL Halaman 1 Komposisi jagung.....................................................................................................
1
2 Kondisi optimum ATM, AM, dan AA......................................................................
9
DAFTAR GAMBAR Halaman 1
Rumus Haworth selulosa ......................................................................................
2
2
Adsorben tanpa modifikasi (a), adsorben modifikasi (b), dan arang aktif (c) ......
5
3
Waktu adsorpsi optimum logam Pb(II) oleh adsorben tanpa modifikasi ..............
6
4
Pengaruh bobot terhadap kapasitas jerapan Pb(II) oleh adsorben tanpa modifikasi ...................................................................................................
6
Pengaruh konsentrasi logam Pb(II) terhadap kapasitas logam Pb(II) oleh adsorben tanpa modifikasi ....................................................................................
7
6
Pengaruh pH terhadap kapasitas jerapan Pb(II) oleh adsorben tanpa modifikasi .
7
7
Waktu adsorpsi optimum ion Pb(II) oleh adsorben modifikasi ............................
7
8
Pengaruh bobot terhadap kapasitas jerapan Pb(II) oleh adsorben modifikasi .....
8
9
Pengaruh pH terhadap kapasitas logam Pb(II) oleh adsorben modifikasi ............
8
10 Pengaruh konsentrasi logam Pb(II) terhadap kapasitas logam Pb(II) oleh adsorben modifikasi ..............................................................................................
8
11 Waktu adsorpsi optimum ion Pb(II) oleh arang aktif............................................
8
12 Pengaruh bobot terhadap kapasitas jerapan Pb(II) oleh arang aktif ......................
9
13 Pengaruh pH terhadap kapasitas logam Pb(II) oleh arang aktif ............................
9
14 Pengaruh konsentrasi logam Pb(II) terhadap kapasitas logam Pb(II) oleh arang aktif .............................................................................................................
9
15 Adsorpsi logam Pb(II) pada larutan tunggal oleh adsorben tanpa modifikasi, adsorben modifikasi, dan arang aktif ....................................................................
10
16 Adsorpsi logam Pb(II) pada limbah pabrik aki oleh adsorben tanpa modifikasi, adsorben modifikasi, dan arang aktif .................................................................... .
10
17 Isoterm Langmuir adsorpsi logam Pb(II) oleh adsorben tanpa modifikasi ...........
11
18 Isoterm Freundlich adsorpsi logam Pb(II) oleh adsorben tanpa modifikasi .........
11
19 Isoterm Langmuir adsorpsi logam Pb(II) oleh adsorben modifikasi.....................
11
20 Isoterm Freundlich adsorpsi logam Pb(II) oleh adsorben modifikasi ..................
11
21 Isoterm Langmuir adsorpsi logam Pb(II) oleh arang aktif ....................................
11
22 Isoterm Freundlich adsorpsi logam Pb(II) oleh arang aktif ..................................
11
5
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1
Bagan alir penelitian .............................................................................................
15
2
Kadar air tongkol jagung .....................................................................................
16
3
Kapasitas adsorpsi adsorben penentuan waktu optimum adsorpsi logam Pb(II) dari 50 mL larutan Pb(II) 15 ppm (adsorben tanpa modifikasi, adsorben modifikasi, dan arang aktif). .................................................................................
16
Pengaruh bobot adsorben terhadap kapasitas adsorpsi logam Pb(II) dari 50 mL larutan Pb(II) 15 ppm (adsorben tanpa modifikasi, adsorben modifikasi, dan arang aktif) ..................................................................................
17
Pengaruh pH adsorben terhadap kapasitas adsorpsi logam Pb(II) dari 50 mL larutan Pb(II) 15 ppm (adsorben tanpa modifikasi, adsorben modifikasi, dan arang aktif) ..................................................................................
17
Pengaruh konsentrasi logam terhadap kapasitas adsorpsi logam Pb(II) (adsorben tanpa modifikasi, adsorben modifikasi, dan arang aktif) .....................
17
Pengujian adsorpsi adsorben tanpa modifikasi, adsorben modifikasi, dan arang aktif terhadap larutan tunggal Pb(II) pada kondisi optimum ......................
18
Pengujian adsorben (adsorben tanpa modifikasi, adsorben modifikasi, dan arang aktif) terhadap limbah industri aki pada kondisi optimum..........................
18
Komposisi limbah aki ...........................................................................................
18
10 Reaksi pengolahan aki ..........................................................................................
18
11 Data untuk pembuatan isoterm Langmuir dan Freundlich untuk adsorpsi logam Pb(II) oleh adsorben tanpa modifikasi .......................................................
19
12 Data untuk pembuatan isoterm Langmuir dan Freundlich untuk adsorpsi logam Pb(II) oleh adsorben modifikasi .................................................................
19
13 Data untuk pembuatan isoterm Langmuir dan Freundlich untuk adsorpsi logam Pb(II) oleh arang aktif ................................................................................
20
4
5
6 7 8 9
PENDAHULUAN Latar Belakang Kontaminasi logam berat di lingkungan merupakan salah satu masalah besar dunia. Peningkatan kadar logam berat menyebabkan keracunan pada tanah, udara, dan air. Proses industri dan urbanisasi memegang peranan penting terhadap kontaminasi tersebut. Berbagai usaha dilakukan untuk mengatasi pencemaran logam berat ini, di antaranya dengan metode fisikokimia seperti presipitasi kimia, osmosis balik, dan pertukaran ion (Suhendrayatna 2001). Akan tetapi metode tersebut memiliki kelemahan, yaitu tidak efektif pada konsentrasi larutan ion logam 1─100 ppm. Metode lain yang dapat digunakan adalah adsorpsi dengan menggunakan adsorben, seperti arang aktif dan zeolit. Kumar (2006) menyatakan bahwa beberapa hasil samping pertanian, seperti gabah padi dan kulit kacang dapat dimanfaatkan sebagai adsorben Cr(VI). Selain itu Igwe dan Abia (2006) menunjukkan kulit jeruk dan tangkai bunga matahari dapat menjerap logam Cu(II). Untuk itu, diharapkan muncul adsorben alternatif yang mampu bersaing dengan adsorben komersial seperti arang aktif. Jagung merupakan salah satu jenis tanaman pangan biji-bijian. Produksi jagung di Indonesia setiap tahunnya menunjukkan peningkatan. Pada tahun 2004 sebesar 11.22 juta ton, tahun 2005 meningkat menjadi 12.52 juta ton, tahun 2006 mencapai 12.13 juta ton, dan diperkirakan pada tahun 2007 produksi mencapai 14 juta ton (BPS 2007). Tingkat konsumsi jagung pada tahun 2006 sekitar 3.5 juta ton, sedangkan tahun 2007 mencapai 4.1 juta ton. Penelitian oleh Rajawane (2008) memperlihatkan bahwa kulit buah kakao yang mengandung pektin dan selulosa berpotensi sebagai adsorben logam Pb(II) dari limbah industri aki dengan kapasitas adsorpsi 724.90 µg/g adsorben. Hal ini diperkuat dengan penelitian Fahrizal (2008) yang menunjukkan bahwa modifikasi selulosa pada tongkol jagung mampu menjerap biru metilena dari limbah tekstil dengan kapasitas adsorpsi 518.07 µg/g adsorben. Pada penelitian tersebut digunakan asam nitrat untuk mengaktivasi selulosa dan natrium hidroksida untuk impregnasi. Hasil-hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa limbah pertanian yang mengandung selulosa, seperti tongkol jagung dapat diolah lebih lanjut
sebagai adsorben dan diharapkan mampu meningkatkan nilai tambahnya. Penelitian ini bertujuan memodifikasi tongkol jagung dengan larutan asam nitrat dan memanfaatkannya sebagai adsorben. Uji kapasitas adsorpsi dari tongkol jagung tersebut dilakukan pada larutan logam tunggal Pb(II) dan limbah industri aki.
TINJAUAN PUSTAKA Jagung Jagung merupakan salah satu tanaman pangan dunia yang terpenting, selain gandum dan padi. Selain sebagai sumber karbohidrat, jagung juga digunakan sebagai pakan ternak, diolah menjadi minyak, tepung (dikenal dengan istilah tepung jagung atau maizena), furfural, bioetanol, dan bahan baku industri. Tongkol jagung kaya akan pentosa yang dipakai sebagai bahan baku pembuatan furfural. Furfural banyak digunakan sebagai pelarut dalam industri pengolahan minyak bumi, pembuatan pelumas, dan pembuatan nilon. Tongkol jagung sebagian besar tersusun oleh selulosa (41%), hemiselulosa (36%), lignin (6%), dan senyawa lain yang umum terdapat dalam tumbuhan (Tabel 1). Aktivasi terhadap adsorben mengarah pada aktivasi gugus hidroksil pada selulosa, sehingga kemampuannya menjerap zat warna maupun ion logam meningkat (Igwe et al. 2005). Tabel 1 Komposisi tongkol jagung Komponen % Air 9.6 Abu 1.5 Hemiselulosa 36.0 Selulosa 41.0 Lignin 6.0 Pektin 3.0 Pati 0.014 Sumber: Lorenz & Kulp (1991).
Selulosa Selulosa merupakan karbohidrat utama yang disintesis oleh tanaman dan menempati hampir 60% komponen penyusun struktur tanaman. Selulosa terdiri atas rantai lurus homopolisakarida yang disusun oleh unit-unit D-glukopiranosa melalui ikatan glikosidik β─ (1,4). Selulosa banyak terdapat pada dinding sel dan berfungsi untuk menjaga struktur sel
